网球拍的花式旋转

文/周丹丹 邵明辉 图/赵赵

在地球上，我们旋转T 字扳手并抛出，T 字扳手会按照抛出时的趋势运动，随后落地。在天宫课堂中，由于T 字扳手处于微重力环境中，旋转的它会自己翻身，一会儿头朝上，一会儿头朝下，反反复复，是不是看起来非常有意思?今天我们来一起做一个实验，在这个实验中你就能观察到此效应。

用手握住一个网球拍的拍柄，此时可将网球拍看成一个刚体，使其中一个拍面（记为A 面）朝上并呈水平方向摆放，然后用力向上抛起网球拍，让它绕水平面上垂直于拍柄的轴旋转一圈，并重新抓住拍柄，你将会发现原本朝上的A 面也绕拍柄轴旋转了大约半圈后方向变成朝下了。如果你将拍面立起来抛起并接住，或者让网球拍绕拍柄轴旋转，则看不到类似的现象。这个实验也可以用一本书或一个羽毛球拍来完成。该效应只需要物体的旋转轴与其第二主轴稍有偏差，与空气阻力或重力无关。

太空中的T 字扳手为什么会调头？网球拍等物体旋转时为什么会发生翻转？我们先来认识以下概念。

概念一点通

刚体

在任何外力的作用下，不考虑其变形，形状和状态都不发生改变的物体就叫作刚体。

主轴

主轴是一种旋转轴，通常被用于各种机械中，作为动力传输和支撑零件的关键组成部分。它的主要功能包括传递动力、承受载荷以及支撑和定位工作件。此外，主轴还需要具备较高的刚性、精度和抗疲劳性能，以保证机械设备的高效稳定运行。

原理揭秘

在天宫课堂的实验中，两个T 字扳手的旋转方式不同、质量分布不同，所以出现了不同的调头现象。这是在失重环境下出现的奇妙现象，也是科学世界的魅力所在。

科学家将这个现象解释为，刚体绕着3 个不同主轴旋转，当绕着最长的主轴（B 轴）或者最短的主轴（A轴）旋转时是稳定的，而绕着中等长度的主轴（C 轴，中间轴）旋转时则不稳定。这个现象也叫作网球拍定理或者中间轴定理。

太空中的T 字扳手在旋转时是有3 个主轴的，不知你有没有发现，如果它绕着中间长度的主轴旋转，并不会稳定地做周期性的翻转。

在失重环境下，T 字扳手的旋转加翻身的动作就会更加明显和持久。由于两个T 字扳手的形状不同，质量分布也不同，所以它们的中间轴也不同，旋转起来时的现象也不一样。注意，如果刚体对称度高，旋转主轴小于3 个，就不会有这个现象了，比如篮球、圆环。在地球上的我们想感受一下这个实验，除了网球拍，还可以用一本书、一个羽毛球拍等物品。

轻松答题

如图所示的三头扳手，在空间站内能不能完成“调头”的实验呢？

A.能 B.不能